• Home
  • Features
  • Reduce deformation and defects of molded parts using Moldflow Part 2.

Reduce deformation and defects of molded parts using Moldflow Part 2.

  • 02.05.2018
  • Plastics Moulds
Reduce deformation and defects of molded parts using Moldflow Part 2.

Continuation of Article p. Halaška dated 24.4.2018.

Vyhození výstřiku z dutiny formy
V poslední fázi vstřikovacího cyklu se dutina formy otevře ve všech dělících plochách tak, aby byl výstřik uvolněn. Při vyhazování se využívá smrštění polymeru a následných vazeb v dutině formy, které výstřik zafixují na jedné straně formy, odkud je pomocí vyhazovačů vyhozen.

Vyhazovací síly potřebné k překonání vazeb v části formy, které mají hlavně povahu třecích sil, mohou výstřik plasticky deformovat a generovat tak další napětí.

 Snížení deformace a vad vstřikovaných dílů pomocí Moldflow 

Obr. 10: Deformace dílu po vyhození z dutiny predikovaná v Moldflow

 

Reziduální napětí
Reziduální napětí jsou mechanická napětí vznikající ve výstřiku bez působení vnitřních sil. Jsou jedněmi z napětí generovaných ve výstřiku v průběhu vstřikovacího cyklu.

Zůstávají ve výstřiku i po vyhození z dutiny formy, kdy se výstřik ochlazuje na teplotu okolí.

Reziduální napětí způsobují deformaci a smrštění výstřiku a mají také vliv na napěťové trhliny působením prostředí.

 Snížení deformace a vad vstřikovaných dílů pomocí Moldflow 

Obr. 11: Možnost exportu deformovaného dílu nebo korigovaného rozměru dutiny formy z Moldflow do CAD ve formátu STEP nebo SAT. Nejen ve formátu STL, se kterým lze jen obtížně dále pracovat

 

Reziduální napětí jsou přítomna ve všech výstřicích. Jsou indukována v průběhu vstřikovacího procesu jako výsledek rozdílného smrštění a omezeného toku taveniny uvnitř dutiny formy.

Znalost reziduálních napětí ve výstřicích je základem pro predikci rozměrových a tvarových nestabilit. Reziduální napětí má významný vliv na nestability, zvláště se zřetelem na přesnost rozměrů, tuhost a chemickou odolnost. Reziduální napětí ve výstřicích jsou výsledkem tokové, teplotní a tlakové historie a jsou klasifikována do dvou základních typů: tokově indukované napětí a teplotně indukované teplotní napětí. (Obr. 12)

 Snížení deformace a vad vstřikovaných dílů pomocí Moldflow 

Obr. 12: Vznik tokově a teplotně indukovaných napětí v průběhu vstřikovacího cyklu

 

Tokově indukovaná reziduální napětí
Reziduální tokově indukovaná napětí díky viskoelastické povaze polymerní taveniny (Obr. 15, 18) představují orientaci makromolekul a jsou atributy smykových a normálových napětí, která jsou generována v průběhu plnící fáze.

Tato napětí zcela nerelaxují, ale jsou zmražena ve výstřiku, protože relaxační časy začnou rapidně narůstat v průběhu chlazení. Tato napětí jsou relativně malá, ale způsobují velkou orientaci řetězců molekul. Orientace ovlivňuje mechanické a optické vlastnosti výstřiku a také různá smrštění ve směru a kolmo na směr toku taveniny. Velká část tokově indukovaných napětí relaxuje rychleji při vyšších teplotách polymeru při plnící fázi. Obvykle jsou tokově indukovaná napětí o řád nižší než teplotně indukovaná napětí.

Tokově indukovaná napětí jsou entropické povahy. Významně přispívají k mechanické, teplotní a optické anizotropii. Ovlivňují dlouhodobou rozměrovou stabilitu výstřiku. Jsou indukována v průběhu plnící i dotlakové fáze. Toková napětí se indukují pouze
nad teplotou skelného přechodu. Připívají k orientaci molekul ve směru toku taveniny. Úplné relaxaci těchto napětí a související orientaci molekul lze zabránit rychlým přechodem taveniny do fáze solidu díky vysoké účinnosti chlazení dutiny formy.

Teplotně indukovaná reziduální napětí
Teplotní napětí se objevuje při vstřikování během fáze dotlaku a chlazení, jako důsledek teplotního gradientu, který je současně přítomen i během fáze tuhnutí. Reziduální teplotní napětí jsou výsledkem prudkého nehomogenního ochlazování polymerní taveniny, jak prochází přes teplotu skelného přechodu. Potom v průběhu chlazení povrchové vrstvy tuhnou dříve než v oblasti jádra výstřiku.

Tahové a tlakové složky napětí jsou tvořeny následným ztuhnutím a teplotním smrštěním jádra výstřiku. Vysoce neuniformní rozdělení teploty po průřezu stěny výstřiku zapříčiňuje, že každý element polymeru ztuhne v různém čase. To vede k různému smrštění vyvolávající teplotně indukované reziduální napětí (Obr. 13).

 Snížení deformace a vad vstřikovaných dílů pomocí Moldflow 

Obr. 13: Teplotní a tlakový profil promítnutý do PVT diagramu

 


Poněvadž elastické vlastnosti a relaxační charakteristiky se významně mění s teplotou během tuhnutí, tato napětí přetrvají a přetvoří se na reziduální teplotní napětí.

Teplotní reziduální napjatost se může vytvořit i běhe fáze plnění, v závislosti na procesních podmínkách, kdy tenká vrstva polymeru při kontaktu s chladnou stěnou formy ztuhne a vytvoří pevnou vrstvu. Jestliže máme stěnu, symetricky ochlazovanou na obou površích, ke zborcení v tomto případě nedojde. V důsledku nehomogenně probíhající kontrakce doprovázené strukturní tuhostí při ochlazování však vznikají reziduální napětí. Nejdříve se ochladí povrchové oblasti, které tak vytvoří tuhý skelet, zatímco vnitřní oblasti jsou ještě taveninou. Jakmile se jádro ochlazuje, vyvolává svým smrštěním protažení a stlačení již tuhých povrchových vrstev, neboť toto smrštění se nemůže volně realizovat, jelikož mezi jádrem a povrchovými vrstvami je tuhá vazba. Výsledkem je tak dvouosá napjatost. Napjatost na povrchu stěny je unibiaxiální tlak, ve střední části tah. Stěna je ve stavu mechanické rovnováhy. Teplotně indukované napětí není závislé jenom na teplotní historii, ale také na tlakovém poli v dutině formy.

Teplotní profil (Obr. 13) vykresluje situaci v součásti. Pro ilustraci je součást po tloušťce rozdělena na osm stejných vrstev. Profil ukazuje teplotu při ztuhnutí sledovaných vrstev (od t1 do t8). Materiál začíná chladnout od vnějších vrstev a zamrzlé rozhraní se posouvá s časem.

Tlakový zápis (Obr. 13) vykresluje typickou tlakovou historii; kde P1 až P8 jsou tlakové stupně zamrznutí každé z vrstev. Obecně tlak roste v průběhu plnění formy a dosahuje maxima v počátku dotlaku. Pak dochází k poklesu tlaku z důvodů chlazení a zatuhnutí vtokového ústí. Zamrznutý měrný objem (Obr. 13) je vynesen v PVT diagramu. Šipky naznačují průběh tlaku pro vrstvu. Finální konečné měrné objemy pro všechny vrstvy jsou vyznačeny čísly.

 Snížení deformace a vad vstřikovaných dílů pomocí Moldflow 

Obr. 14: Deformace dílu působením reziduálních napětí. O velikosti reziduálních napětí v plastu svědčí deformace ocelového zástřiku tl. 2mm o 0,5mm

 


Teplotně indukovaná reziduální napětí při nesymetrickém chlazení
Chlazení dutin vstřikovacích forem je v naprosté většině nesymetrické.  Je to dáno především technologickými možnostmi při výrobě chladících kanálů, které jsou většinou tvořeny vrtanými děrami podél dutiny formy nebo drážkami po obvodu tvarových vložek. Samotné vložky dutin mají asymetrický tvar.

Rozdíly v rychlosti chlazení od stěny formy ke středu součásti může zapříčinit posun teplotně-indukované reziduální napjatosti. Mimoto, asymetrické teplotně indukované reziduální napětí může nastat, pokud rychlost chlazení dvou povrchů je nevyvážená. Takovéto chlazení má za následek asymetrický tlakově – tahový charakter napětí v průřezu součásti. Vyvolaný ohybový moment způsobí zprohýbání či zborcení součásti. Následkem toho jsou součásti s nestejnoměrnou tloušťkou nebo špatně chlazené oblasti náchylné k nevyváženému chlazení a tudíž k reziduálnímu teplotnímu napětí.

V souhrnu, průběh teplotně indukovaného reziduálního napětí je daleko komplikovanější vzhledem k různým tloušťkám stěn výrobků, chlazení formy a vlivu tvarových vazeb ve formě na volné smrštění.

 Snížení deformace a vad vstřikovaných dílů pomocí Moldflow 

Obr. 15: Viskoelastické chování materiálu. Studený tok (creep) asfaltu na cestě je omezován betonovými, tuhými deskami. Dochází ke vzniku prasklin na hranách působením reziduálních napětí

 


 Snížení deformace a vad vstřikovaných dílů pomocí Moldflow 

Obr. 16: Reziduální napětí při nesymetrickém chlazení dutiny

 

Reziduální napětí v dutině formy a po vyhození výstřiku z dutiny
Poté, co je součást vyhozena z formy, vazby v dutině formy jsou uvolněny a součást je volně smrštitelná a deformovatelná. Ustaví se rovnovážný stav. Zbývající napětí v součásti představují procesně-indukovaná reziduální napětí; jednoduše nazývaná reziduální napětí. Tato procesně-indukovaná napětí jsou výsledkem spolupůsobení tokových a teplotních činitelů.

Zatímco součást je stále vázána na dutinu formy, vnitřní napětí, která se akumulují během procesu tuhnutí, se označují jako reziduální napětí dutinová. (Obr. 18)

 Snížení deformace a vad vstřikovaných dílů pomocí Moldflow 

Obr. 17: Procesně indukované napětí v dutině formy a vyhození z dutiny

 

Tato napětí jsou hlavní příčinou postprocesního smrštění a zborcení součásti. (Obr. 14) Dutinová reziduální napětí v součásti zůstávají vázaná do doby vyhození z formy (Obr. 17 horní část) Jakmile je součást z formy vyhozena, vazby dutiny jsou uvolněny a součást se začíná smršťovat a deformovat.

Deformace a smrštění jsou na úkor klesajícího vnitřního napětí, kde je snahou dosažení rovnovážného stavu. Tento stav znamená, že není žádná externí síla namáhající součást. Tlaková a tahová napětí v průřezu součásti dosáhnou rovnovážného stavu. To vede k posunutí profilu reziduálních napětí ve vyhozeném výstřiku. V případě nesymetrického profilu napětí v průřezu dojde k deformaci stěny výstřiku.

 Snížení deformace a vad vstřikovaných dílů pomocí Moldflow 

Obr. 18: Praskliny na dílu vstříknutého z PP s ocelovým zástřikem (Obr. 14) způsobené reziduálním napětím a omezenou možností studeného toku zástřikem. Predikce reziduálních napětí v Moldflow

 


Reziduální napjatost je generována při silovém působení (silami povrchovými a objemovými) nebo deformačním působením na těleso. Vnitřní síly v daném průřezu jsou staticky ekvivalentní s působícími napětími; jejich výslednice v daném průřezu je obecně nenulová. Není-li v daném případě splněna podmínka plasticity, jsou tato působící napětí v pružné oblasti. Po odstranění příčiny svého vzniku pak zcela vymizí.

Jinak tomu je, jestliže dojde v průběhu zmíněného působení v tělese (v celém tělese nebo pouze v některých jeho oblastech) ke vzniku pružně plastického stavu. Potom po odstranění původní příčiny vzniku napjatosti – silového, deformačního nebo teplotního působení - zůstanou v tělese jistá zbytková – reziduální napětí. K této situaci dochází právě po vyhození výstřiku z dutiny formy.

Reziduální napětí a jejich změny v důsledku dlouhodobých morfologických změn a teplotních polí mohou způsobovat změny deformací dlouhodobě. Pokud k tomu přidáme ještě viskoelastické chování plastů, jsou rozměry plastového dílu dlouhodobě nestabilní. Tato rozměrová nestabilita závisí na morfologii daného plastu (amorfní, semikrystalický) a obsahu a charakteru plniva. (talek, krátká nebo dlouhá vlákna) (Obr. 19). Výše uvedené změny mohou způsobovat nejen rozměrovou nestabilitu, ale také vznik prasklin, zejména u dílů se zástřiky nebo u dílů s přítomností lunkrů. (Obr. 6).

 Snížení deformace a vad vstřikovaných dílů pomocí Moldflow 

Obr. 20: Změna sledovaného rozměru Q1 u dílu vstřikovaného z PP+20% talku. Po 13 dnech se rozměr dostal do tolerančního pole. Měřeno na speciálním měřícím přípravku

 


Ostré hrany na stěnách lukrů, pak vedou k napěťovým vrubům a šíření trhlin, podobně jako u příkladu asfaltové cesty. (Obr. 15)
Obr. 20 Změna sledovaného rozměru Q1 u dílu vstřikovaného z PP+20% talku. Po 13 dnech se rozměr dostal do tolerančního pole. Měřeno na speciálním měřícím přípravku.

První část najdete zde »

Tuto problematiku rozebíral Petr Halaška na semináři Formy a Plasty Brno 2017, pořádaném firmou SVOBODA:


  • autor:
  • SMARTPLAST s.r.o.


You might also be interested


  • CECHO - BOHUMIL CEMPÍREK s.r.o. market since 1995

    CECHO - BOHUMIL CEMPÍREK s.r.o. market since 1995

    • 15.03.2018

    CECHO was established in 1995 as a small family business with 5 employees. Since then, many have changed. From a company that trades only ourselves, we have built a company that produces its own molds and operates its own plastic injection molding workshop. It was not...

  • Gear measurement with WinWerth - GearMeasure

    Gear measurement with WinWerth - GearMeasure

    • 09.03.2018

    The GearMeasure function for automatic gear teeth measurement using a coordinate measuring machine is fully integrated into the WinWerth® control program. The tooth and measurement parameters can be easily adjusted thanks to this...

  • 10 points that reduce the profit of the press

    10 points that reduce the profit of the press

    • 07.03.2018

    Although plastic injection has a long tradition, it can still be said that plastic injection as such is not a technical discipline, but rather an art. Somebody injects the parts perfectly, and else it's simply not the same...